PbS量子点掺杂氧化物微晶玻璃的制备及其光学性能研究

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量子点(Quantum dots)是一种准零维的半导体纳米晶。由于量子限域效应,量子点具有尺寸可调的光学性质,因此其在化学检测、生物医药、能源和光伏等众多领域具有广泛的应用前景。与 II-VI和 III–V族宽带隙半导体相比, PbS量子点具有较窄的带隙和较大的激子波尔半径。因此,PbS量子点的有效带隙能可以通过调控量子点的尺寸分布进行调控,可调范围大,可以覆盖可见光、近红外和中红外波段。尽管通过化学合成法制备出法制备量子点掺杂材料的荧光效率较高,但化学法制备的量子点稳定性较差,在实际的应用中颇受限制。而通过热处理在玻璃基质中析出 PbS量子点在光电器件的潜在应用使其依旧备受关注。  然而,由于量子点具有较大的比表面积,表面原子较多,会导致配位不足、不饱和键和悬挂键等表面缺陷,这些缺陷会陷阱电子和空穴,降低量子点的荧光效率。钝化量子点的表面缺陷可以降低其对量子点发光性质的影响。对于化学法制备的量子点,可以通过某些表面活性剂或者在量子点表面形成晶体壳层钝化其表面缺陷。而在玻璃基质中,量子点析出后,很难再通过后续的处理对其表面进行钝化。在微晶玻璃中制备出 PbS量子点是一种实现量子点表面钝化的有效途径之一。当微晶玻璃中的纳米晶在量子点的表面生长时,可以部分钝化量子点的表面缺陷。  鉴于此,本论文主要研究玻璃中 PbS量子点和氧化物微晶的可控依次析晶和生长机理,制备出 PbS量子点掺杂氧化物微晶玻璃材料,形成核壳结构,研究其发光性质,并阐明氧化物纳米晶对 PbS量子点的表面钝化机理。本文采用熔融法,通过热处理,制备出 PbS量子点掺杂氧化物微晶玻璃,通过控制硅酸锶钠和硅酸锶两种纳米晶的析出,形成核壳结构,并研究其对 PbS量子点光学性能的影响,得出以下结论:  (1)通过调整玻璃基质组分和热处理工艺制度,可以在玻璃基质中制备出 PbS量子点、Na2SrSi2O6纳米晶和 SrSiO3纳米晶。其中,PbS量子点的平均粒径为5.7-11.4 nm,Na2SrSi2O6纳米晶的平均直径在30-50 nm之间,SrSiO3纳米晶的平均直径大于100 nm。  (2)通过对玻璃组分和热处理工艺制度的调控,实现了 PbS量子点在玻璃基质中的可控析晶,PbS量子点掺杂玻璃的吸收和荧光光谱在1500 nm至2200 nm的范围内连续可调。  (3)PbS量子点可以作为 Na2SrSi2O6纳米晶和 SrSiO3纳米晶的成核剂并促进其在玻璃中的析晶。  (4)在玻璃中形成了PbS/Na2SrSi2O6和PbS/SrSiO3核壳结构纳米晶。  (5)在不含 Pb的玻璃中,S抑制玻璃中 Na2SrSi2O6纳米晶的析出。在含有S和Pb的玻璃中,S或Pb含量的提高可以促进 PbS量子点的析晶,从而促进了Na2SrSi2O6纳米晶或SrSiO3纳米晶的析晶。
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